轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

PAGE1PAGE18PAGE1鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計2011級電氣工程及其自動化專業(yè)1106971班級題目轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計姓名蔡樹寰學(xué)號110697101指導(dǎo)教師孫標(biāo)職稱副教授二О一三年一月八日目錄第一章緒論 1第二章課程設(shè)計的要求與任務(wù) 22.1設(shè)計任務(wù)及要求 22.1.1設(shè)計任務(wù) 22.1.2設(shè)計要求 22.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計 2第三章主電路的設(shè)計 53.1主電路電氣原理圖及其說明 53.2平波電抗器參數(shù)的計算 53.3變壓器參數(shù)的計算 53.3.1一次側(cè)和二次側(cè)電流I1和I2的計算 63.3.2變壓器容量的計算 63.4晶閘管元件參數(shù)的計算 63.5保護電路的設(shè)計 6第四章電流調(diào)節(jié)器設(shè)計 74.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡 74.2電流環(huán)參數(shù)的計算 84.2.1確定時間常數(shù) 84.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 84.2.3計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 84.2.4校驗近似條件 94.2.5計算調(diào)節(jié)電阻和電容 9第五章轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 115.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡 115.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算 125.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計與參數(shù)選擇 125.2.2計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 135.2.3控制及驅(qū)動電路設(shè)計 14總結(jié)與體會 16參考文獻 17第一章緒論轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的電機調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)和電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，二者都可以在一定程度上克服開環(huán)系統(tǒng)造成的電動機靜差率，但是不夠理想。實際設(shè)計中常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般使電流環(huán)(ACR)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。本文是按照工程設(shè)計的方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的。使電動機滿足所要求的靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型Ⅰ型系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速環(huán)以抗擾性能為主，即應(yīng)選用典型Ⅱ型系統(tǒng)為主。關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 第二章課程設(shè)計的要求與任務(wù) 2.1設(shè)計任務(wù)及要求2.1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)2.1.2設(shè)計要求(1)自主選擇一款直流電動機。(2)自主選擇測速發(fā)電機，設(shè)計反饋環(huán)節(jié)。要求：電路、參數(shù)計算。(3)設(shè)計UPE環(huán)節(jié)的原理圖，給出該環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和放大系數(shù)。設(shè)計要求：UPE環(huán)節(jié)可自由選擇三相半波、三相全波整流電路；電路設(shè)計要完整，包括平波電抗器的設(shè)計。(4)給出所選擇的電力電子器件的額定電壓，但是不要求具體型號（如果有型號當(dāng)最好）。(5)說明如何計算最小逆變角，給出思路及所需的技術(shù)參數(shù)要求(6)給出電路原理圖和該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。(7)設(shè)計ASR及ACRPI調(diào)節(jié)器，給出原理圖。不要求電阻、電容的具體參數(shù)；明確說明你所采用的直流電源是多少伏；要求具有限幅電路及其設(shè)計參數(shù)，說明你所設(shè)計的電路飽和時的輸出值。(8)給出系統(tǒng)靜特性結(jié)構(gòu)框圖以及動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。說明：能夠計算得到的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)計算出來，例如UPE環(huán)節(jié)的放大系數(shù)、時間常數(shù)、電樞回路的電磁時間常數(shù)等，并在框圖內(nèi)標(biāo)明。(9)繪出靜特性曲線并估算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉(zhuǎn)向。盡管電樞反接需要較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，可以做到互不干擾，都能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設(shè)計采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式。并且采用三相橋式整流。雖然兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行的問題，但是兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，，稱作環(huán)流，一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔(dān)，消耗功率。環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該在正組處于整流狀態(tài)、Udof為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)、使Udor為負，且幅值與Udof相等，使逆變電壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是又由于其中，分別為VF和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時，應(yīng)有如果反組的控制角用逆變角表示，則按照這樣控制就可以消除環(huán)流。圖1兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路系統(tǒng)設(shè)計的一般原則為：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。圖2為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，圖3為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE--IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+ET0is+11T0is+1ASR1T0ns+1T0ns+1U*nn圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第三章主電路的設(shè)計3.1主電路電氣原理圖及其說明主電路采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使電流環(huán)(ACR)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從而改變電機的轉(zhuǎn)速。通過電流和轉(zhuǎn)速反饋電路來實現(xiàn)電動機無靜差的運行。圖4系統(tǒng)電氣原理框圖3.2平波電抗器參數(shù)的計算Ud=2.34U2cosUd=UN=220V,取=0°U2=Idmin=(5%-10%)IN,這里取10%則L=0.6933.3變壓器參數(shù)的計算變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算：因此變壓器的變比近似為：3.3.1一次側(cè)和二次側(cè)電流I1和I2的計算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A3.3.2變壓器容量的計算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA3.4晶閘管元件參數(shù)的計算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.5-2倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側(cè)電流有效值I2是其輸出直流電流有效值Id的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流IVT=I，則在本設(shè)計中晶閘管的額定電流IVT(AV)=523-698A本設(shè)計中晶閘管的額定電壓UN=311-466V3.5保護電路的設(shè)計對于過電壓保護本設(shè)計采用RC過電壓抑制電路，該裝置置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流上，如圖5所示。對于過電流保護本設(shè)計采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法來保護電路圖5過壓保護電路第四章電流調(diào)節(jié)器設(shè)計4.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化分為忽略反電動勢的動態(tài)影響、等效成單位負反饋系統(tǒng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等環(huán)節(jié)。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)Tl遠小于機電時間常數(shù)Tm，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE≈0。這時，電流環(huán)如圖6所示。Ud0Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc(s)KsTss+1Id(s)T0is+11T0is+1如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s)/b，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖7所示。++-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tls+1)Id(s)U*i(s)T0is+1圖7等效成單位負反饋系統(tǒng)的電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后，由于Ts和T0i一般都比Tl小得多，慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為T∑i=Ts+Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖8++-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)圖8電流環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)圖4.2電流環(huán)參數(shù)的計算4.2.1確定時間常數(shù)(1)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。按表1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。(2)電流濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給出，即Toi=0.002s。(3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑=Ts+Toi=0.0037s表1各種整流裝置的失控時間4.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成式中Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti—電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項指標(biāo)都是可以接受的。4.2.3計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)4.2.4校驗近似條件電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求δ%5%時，按典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，取=0.50，即=0.5s，因此=0.5/=0.5/0.0037=135.1于是，ACR的比例系數(shù)為其中為晶閘管的內(nèi)置放大系數(shù)，設(shè)其為30為電流反饋系數(shù)R為電樞回路的總電阻，設(shè)其為2.85計算得根據(jù)上述參數(shù)可以達到的動態(tài)指標(biāo)為:電流環(huán)截止頻率：=135.1(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件(2)忽略反電動勢變化對電流動態(tài)影響的條件(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。查表可得，設(shè)計后的電流環(huán)可以達到動態(tài)指標(biāo)查表可知=4.3%<5%，滿足設(shè)計要求。4.2.5計算調(diào)節(jié)電阻和電容取R1=R2=R3=R4=40k，則各電阻和電容值為=1.41*40=56.4k=5040uF0.2uF按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%<5%，滿足設(shè)計要求。綜上所述電流環(huán)（ACR）調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：第五章轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計5.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖10所示和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(s)/a，再把時間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中nn(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)T0ns+11T0ns+1U*n(s)+-IdL(s)圖10用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖11圖11等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖5.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算5.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計與參數(shù)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如下圖所示:其中Ui為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，+15V為電力電子變換器的控制電壓。(1)確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用的測速發(fā)電機波紋情況，取=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求無靜差，故選用PI調(diào)節(jié)器考慮動態(tài)性能要求，按典型系統(tǒng)II設(shè)計系統(tǒng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計。其傳遞函數(shù)為(3)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取中頻寬H=6,則ASR的超前時間常數(shù)s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：ASR的比例放大系數(shù)為：(4)校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)